Металлический водород

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Газовые гиганты (например, Юпитер) могут содержать большие запасы металлического водорода (серый слой)

Металлический водород — совокупность фазовых состояний водорода, находящегося при высоком давлении и претерпевшего фазовый переход. Металлический водород представляет собой вырожденное состояние вещества и обладает некоторыми замечательными свойствами — высокотемпературной сверхпроводимостью и высокой удельной теплотой фазового перехода. Возможно существование твердой кристаллической и жидкой фазы металлического водорода, в которой отсутствует дальний порядок.

История исследований[править | править исходный текст]

В 1935 год Ю. Вигнер и X. Б. Хантингтон предсказали переход водорода в металлическое состояние под действием высокого давления (около 25 ГПа) и потерю валентного электрона ядром[1]. В дальнейшем оценка давления, требуемого для фазового перехода, была повышена, но условия перехода всё же считаются потенциально достижимыми. Предсказание свойств металлического водорода ведется теоретически. Попытки получения, начатые в 1970-х годах, привели к серии опытов М. Еремец в 2008 и А так же Еремец и Троян 2011 годах[2]. Однако имеются сомнения в получении металлического водорода[3].

Теоретические свойства[править | править исходный текст]

Твёрдый металлический водород[править | править исходный текст]

Кристаллическая решетка твердого металлического водорода формируется ядрами водорода (протонами), находящимися друг от друга существенно ближе боровского радиуса, на расстоянии, сравнимом с длиной волны де Бройля электронов. Таким образом, электроны слабо связаны с протонами и формируют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Жидкий металлический водород[править | править исходный текст]

Жидкий металлический водород образуется при плавлении твердого металлического водорода. В отличие от гелия-4, жидкого при нормальном давлении и температуре ниже 2,17 K, существование жидкого металлического водорода в таких условиях ставится под сомнение. Энергия нулевых колебаний в массиве плотно упакованных протонов велика, и переход от кристаллической фазы ожидается при высоких давлениях. Исследование максимальной точки плавления на диаграмме состояний водорода, проведенное Н. Ашкрофтом, допускает область давлений около 400 ГПа, при которых водород является жидким металлом при низких температурах[4][5]. Егором Бабаевым было предсказано что металлический водород может представлять собой новое агрегатное состояние: металлическую сверхтекучую жидкость.[6][7]

Сверхпроводимость[править | править исходный текст]

Металлический водород обладает сверхпроводимостью при температурах, вплоть до комнатной, что гораздо выше, чем в других материалах.

Экспериментальные попытки получения[править | править исходный текст]

Ударное сжатие: W. Nellis Предположительно получил металлический водород в экспериментах по ударному сжатию [8] Опыты 2008 и 2011 года. Ударное сжатие. Получение давлением в алмазных наковальнях.

Связь с другими областями физики[править | править исходный текст]

Металлический водород может существовать в ядрах планет-гигантов.

Применение[править | править исходный текст]

Предлагаются топливные ячейки, использующие отдачу энергии фазового перехода металлического водорода в диэлектрическое состояние при снятии давления.

Интересные факты[править | править исходный текст]

Металлический водород неоднократно упоминается в советском фильме Расписание на послезавтра (1979), действие которого происходит в физико-математической спецшколе.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Wigner, E.; Huntington, H.B. On the possibility of a metallic modification of hydrogen (англ.) // Journal of Chemical Physics. — 1935. — Т. 3. — № 12. — С. 764. — DOI:10.1063/1.1749590
  2. Eremets M.I., Troyan I.A. Conductive dense hydrogen (англ.) // Nature Materials. — 2011. — DOI:10.1038/nmat3175
  3. Nellis, W.J.; Arthur L. Ruoff, Isaac F. Silvera. Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (2 января 2012). — «no evidence for MH»  Проверено 13 мая 2012.
  4. Ashcroft N.W. The hydrogen liquids (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2000. — Т. 12. — № 8A. — С. A129. — DOI:10.1088/0953-8984/12/8A/314
  5. Bonev S.A. et al. A quantum fluid of metallic hydrogen suggested by first-principles calculations (англ.) // Nature. — 2004. — Т. 431. — № 7009. — С. 669. — DOI:10.1038/nature02968 — arΧiv:cond-mat/0410425
  6. (2007) «Violation of the London law and Onsager–Feynman quantization in multicomponent superconductors». Nature Physics 3 (8): 530. DOI:10.1038/nphys646. Bibcode:2007NatPh...3..530B.
  7. (2004) «A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen». Nature 431 (7009): 666. DOI:10.1038/nature02910. Bibcode:2004Natur.431..666B.
  8. (1996) «Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar)». Physical Review Letters 76 (11): 1860. DOI:10.1103/PhysRevLett.76.1860. Bibcode:1996PhRvL..76.1860W. “0.28–0.36 mol/cm3 and 2200–4400 K”